Studio di benchmark:
Drop test ottimizzati con Dell, Intel e Altair
Fredrik Nordgren, M.Sc. M.E. (Master of Science in Mechanical Engineering), Application Engineer, Altair
Eric Lequiniou, Director, High Performance Computing, Altair
Martin Hilgeman, HPC Consultant, Dell
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Studio di benchmark: drop test ottimizzati con Dell, Intel e Altair
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Introduzione
L'analisi dell'impatto, o drop test, è una delle fasi più importanti nella progettazione e nello sviluppo di un prodotto, e
il software in grado di simulare questi test in modo accurato offre vantaggi significativi ai produttori in termini di costi
e time to market. Dell, Intel e Altair hanno collaborato all'analisi di una soluzione virtuale di drop test con analisi
integrata di simulazioni e ottimizzazioni, che assicura aumenti comprovati di velocità e accuratezza. Con questa
soluzione, i tecnici possono esplorare più alternative di progettazione per migliorare la stabilità e l'affidabilità dei
prodotti. Di conseguenza, i produttori possono ridurre sensibilmente i tempi necessari per lo sviluppo di prodotti ad
elevate prestazioni, migliorando la qualità e riducendo il tempo richiesto per la distribuzione.
Problema:
Migliorare la velocità e l'accuratezza dei drop test
Dagli smartphone ai componenti di auto, i prodotti devono essere testati per verificarne le prestazioni all'impatto
prima della produzione. È compito del produttore progettare e sviluppare prodotti che offrano le migliori prestazioni
possibili in caso di cadute, urti o altre situazioni a rischio di danni permanenti.
Il software di simulazione dei drop test risulta utile per i produttori, in quanto accelera i tempi richiesti per testare un
prodotto, assicura livelli più elevati di qualità e riduce la necessità di eseguire test fisici. Questo tipo di software
replica la complessità dell'ambiente e dei materiali fisici, simula l'impatto o la caduta e fornisce informazioni tecniche
dettagliate sulle prestazioni del prodotto durante questi eventi.
In generale, il software per questo tipo di problema è già avanzato, perché la domanda di drop test e le relative
soluzioni derivano dalla modellazione di incidenti stradali. Tuttavia, quando si tratta nello specifico di drop test per
telefoni, si presentano sfide diverse, tra cui il fatto che i telefoni sono costituiti da un numero maggiore di
componenti, con molti materiali e tecniche di assemblaggio diverse. Tutto questo deve essere modellato con
attenzione per valutare i potenziali danni di un impatto. Inoltre, i tecnici devono configurare manualmente il modello
e la post-elaborazione, tutti interventi che richiedono tempi lunghi.
L'obiettivo finale è avere un prodotto affidabile in grado di sopportare cadute da tutte le angolazioni e altri tipi di
carico (pressione, piegamenti, torsioni, ecc.). Per questo sono necessarie numerosi simulazioni e un solver veloce e
scalabile, oltre a un ambiente software che consenta ai tecnici di esplorare più alternative di progettazione per
ottenere informazioni più dettagliate sul comportamento fisico durante l'impatto. Inoltre, i tecnici necessitano di
soluzioni integrate e automatizzate, con elementi chiave come l'ottimizzazione integrata, per semplificare i processi e
ridurre il rischio di errori.
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Soluzione: Accelerare la simulazione di drop test
con Dell, Intel e Altair
In questo studio, Dell, Intel e Altair hanno collaborato per testare il
software di simulazione di drop test di Altair in un cluster Dell basato su
processori Intel. L'infrastruttura fornita da Dell e Intel consente di
accelerare la simulazione aumentando le prestazioni del solver di analisi
dell'impatto, RADIOSS, eseguito in un cluster Dell di fascia alta dotato di
processori Intel Xeon E5 v2 di più recente generazione. Il solver, un
componente strategico a elaborazione intensiva della soluzione drop test
di Altair, viene utilizzato per eseguire i tipi di simulazioni complessa che
possono trarre vantaggio da hardware molto efficiente e processori
veloci...
Soluzione drop test di Altair
La soluzione drop test automatizzata di Altair è costituita da una serie di strumenti software integrati, progettati per
ottimizzare le prestazioni, il throughput e l'usabilità:
HyperWorks: suite di software di modellazione, analisi e ottimizzazione che integra i seguenti componenti in una
soluzione drop test completa:
o Prodotto per la pre-elaborazione di elementi finiti ad elevate prestazioni (HyperMesh) per preparare
anche i modelli più grandi, con un set completo di strumenti di editing della geometria che consentono
di preparare efficientemente i modelli per il meshing
o Solver di analisi strutturale (RADIOSS) definito da oltre 20 anni come standard di settore per crash test e
impatto nel settore automobilistico, con i massimi livelli di qualità, affidabilità e scalabilità. Con la
tecnologia AMS (Advanced Mass Scaling) di RADIOSS, gli utenti possono riscontrare livelli ancora più
elevati di prestazioni.
o Software integrato e avanzato per l'esplorazione, l'approssimazione e l'ottimizzazione della
progettazione (HyperStudy), con ottimizzazione delle forme, parametrizzazione diretta, data mining e
lettori dei risultati RADIOSS diretti.
Software di gestione dei carichi di lavoro PBS Professional per la pianificazione di processi HPC (HighPerformance Computing), con livelli elevati di scalabilità e usabilità, collaudato da oltre 20 anni presso migliaia di
sedi dei clienti.
I test precedenti condotti da Altair hanno dimostrato che questa soluzione, con RADIOSS AMS abilitata, consente di
ridurre i runtime dei drop test da 65 a 36 minuti, con un miglioramento del 45%, rispetto al runtime di 64 minuti
prodotto da un importante solver alternativo.
Soluzioni Dell HPC basate su tecnologia Intel
Dell fornisce elementi di base e soluzioni chiavi in mano per l'HPC che consentono alle organizzazioni di sfruttare la
potenza della tecnologia HPC e ottimizzare l'innovazione e lo sviluppo di prodotti. Collaborando con Intel e Altair, è
possibile immettere sul mercato soluzioni per lo sviluppo di prodotti che possono migliorare la produttività, ridurre i
costi e semplificare la gestione di complessi ambienti cluster.
Nel caso di questa analisi di drop test, sono stati scelti i server blade Dell PowerEdge M620 basati sulla famiglia di
processori Intel® Xeon® E5-2600 v2. Questi processori potenti ed energeticamente efficienti offrono il 50% di core e
cache in più, oltre a una memoria più veloce e ad altre ottimizzazioni dell'hardware rispetto alla precedente
generazione di server basati su processori Intel Xeon.
Le prestazioni più elevate per le applicazioni HPC possono essere raggiunte tramite Intel® Advanced Vector
Extensions (Intel® AVX). La tecnologia Intel® AVX velocizza i calcoli vettoriali e in virgola mobile con il supporto per
vettori a 256 bit e conversioni accelerate di dati a 32/64 bit. La famiglia di processori Intel® Xeon® E5 v2 offre una
gamma completa di specifiche, dal numero di core a modelli ottimizzati per la frequenza, per rispondere ai requisiti
dell'applicazione dell'utente.
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Panoramica del progetto di benchmark
Introduzione di una guarnizione tra la scheda a circuiti stampati
e il modulo LCD per ridurre deformazioni in caso di cadute
posteriori; sulla destra sono mostrate due diverse forme di
ammortizzatore.
Per testare le prestazioni della soluzione Dell-Intel-Altair, i tecnici si sono concentrati su uno specifico caso di
utilizzo, verificando se l'aggiunta di una guarnizione di ammortizzamento avrebbe ridotto lo stress su un modello di
telefono.
In questo scenario, la fessura tra il case del telefono e la piastra di supporto causa piegature e livelli elevati di stress
nel modulo LCD in un drop test. L'obiettivo è trovare un tipo di guarnizione ottimizzato, con caratteristiche ideali di
spessore, dimensioni, flessibilità, ecc. per ridurre lo stress trasferito negli elementi perimetrali dell'LCD.
1.
Progettazione: nella prima fase del progetto, il concept è stato modellato in HyperMesh e sono state
generate variabili di progettazione con una tecnologia di morphing e con la parametrizzazione dei file di
input.
2.
Ottimizzazione: è stata eseguita una procedura DOE (design of experiment) per generare una superficie di
risposta. Quindi, l'ottimizzazione è stata eseguita sulla superficie di risposta invece che sul modello di
elemento finito.
3.
Verifica: il design ottimizzato è stato valutato/simulato con l'analisi degli elementi finiti (FEA, Finite Element
Analysis) e sono stati verificati i risultati delle prestazioni.
Le simulazioni sono state eseguite su sistemi con i componenti seguenti:
16 server blade Dell PowerEdge M620 con processori Intel Xeon E5-2680 v2, E5-2667 v2 e E5-2697 v2, 128 GB di
memoria per nodo, sfruttando interconnessioni Mellanox FDR Inifiniband.
Superficie risultante di stress LCD in funzione dell'area e dello
spessore della guarnizione di ammortizzamento.
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Risultati delle prestazioni
Utilizzando il software Altair RADIOSS su un sistema blade Dell PowerEdge M620, i tecnici sono riusciti a eseguire le
21 simulazioni di drop test richieste in questo studio di ottimizzazione e a completare i benchmark su tre diversi
processori Intel, rispettivamente Intel Xeon E5-2690 v2, E5-2667 v2 e E5-2697 v2, in configurazioni a due nodi, con i
seguenti dati su core e prestazioni raw:
CPU
Core totali per 2
nodi
Prestazioni FP raw in
GFLOP/s
Esecuzione singola
Tempo medio (s)
Tempo totale
Per 21 esecuzioni (s)
E5-2680 v2
40
896
719
15110
E5-2667 v2
32
845
742
15598
E5-2697 v2
48
1037
660
13868
Figura 1. Riepilogo delle prestazioni
Ovviamente, il processore dalle prestazioni più elevate in termini di tempo trascorso è E5-2697 v2, ossia il prodotto
con la frequenza minore ma con il numero più alto di core. Queste prestazioni sono possibili grazie all'eccellente
scalabilità di RADIOSS, poiché la frequenza minore o le prestazioni intrinseche di ogni core non influiscono
negativamente sulle prestazioni tra il numero elevato di core.
900
800
Ora dell'orologio (s)
700
600
500
E5-2680v2
400
E5-2667v2
300
E5-2697v2
200
100
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21
Numero di esecuzione
Figura 2. Dettagli delle prestazioni
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Rispetto al tempo di riferimento di 65 minuti (3900 secondi) ottenuto in un singolo nodo del processore Intel Xeon
X5570 a 2,93 GHz (con un totale di 8 core), due nodi con il processore E5-2697 v2 sono circa 6 volte più veloci (600
secondi per una singola esecuzione). In questo modo l'intero studio di ottimizzazione (21 esecuzioni di simulazione) è
stato completato in meno di 4 ore (13.868 secondi).
Inoltre, con l'opzione RADIOSS AMS, gli utenti possono velocizzare ulteriormente i tempi della soluzione preservando
l'accuratezza dei risultati. AMS fornisce una soluzione avanzata per problemi quasi statici ed è un'alternativa alle
simulazioni non lineare implicite, in cui la convergenza è a volte difficile da ottenere, ad esempio a causa di una
elevata non linearità nei contatti, comportamenti di materiali complessi e modelli di frattura.
Secondo le previsioni, con AMS il tempo di completamento dovrebbe essere 1,7 volte più veloce, ossia richiedere
meno di 2,5 ore (meno di 400 secondi per una singola esecuzione) utilizzando la configurazione più veloce basata su
processore Intel E5-2697 v2.
Un altro aspetto da considerare quando si ottimizzano le configurazioni è che la scalabilità non è solo funzione del
processore Intel Xeon e del numero di core scelti, ma anche del numero di nodi utilizzati. Data la natura parallela di
queste simulazioni, è possibile presupporre che, eseguendo circa la metà delle 21 esecuzioni sui primi due nodi e il
resto su un secondo gruppo di due nodi, si può ottenere un'accelerazione dei tempi di simulazioni di circa un fattore
2. Questa logica può essere utilizzata per estrapolare risultati concreti utilizzando più nodi per raggiungere il tempo di
simulazione desiderato, ad esempio per un cluster di simulazione da 8 nodi. Questo approccio può essere
semplificato con l'uso di uno strumento come PBS Professional, che distribuisce automaticamente i processi di
simulazione tra le risorse disponibili per ottimizzare l'efficienza dei calcoli e l'utilizzo delle risorse.
Efficienza energetica e prestazioni
Negli attuali processi di pianificazione e strategie aziendali, l'energia e il raffreddamento sono diventati aspetti
importanti quando si tratta di prendere decisioni di acquisto. L'efficienza energetica di una configurazione di
simulazione può quindi essere fondamentale per le organizzazioni che vogliono ottimizzare l'utilizzo dell'energia
oltre alle prestazioni.
Durante lo svolgimento dei test di simulazione con il sistema blade Dell PowerEdge, è stato registrato il consumo
energetico misurato in Watt totali per ogni esecuzione (vedere il grafico seguente). Mentre il consumo energetico dei
processori Intel Xeon E5-2667 v2 e E5-2697 v2 mantiene un livello simile, il processore Xeon E5-2680 v2 richiede
evidentemente meno energia per eseguire le 21 simulazioni di questo test case.
In altri termini, per un ambiente con carichi di lavoro di produzione sempre attivo, 24 ore al giorno, 7 giorni alla
settimana, il processore Xeon E5-2680 v2 consuma il 21,3% di energia in meno per nodo rispetto al processore Xeon
E5-2697 v2, che è una percentuale maggiore rispetto alla differenza di TDP tra 115 W e 135 W (17%).
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Configurazioni consigliate
Esaminando le prestazioni generali, il rapporto prezzo/prestazioni e l'efficienza energetica, è possibile effettuare le
seguenti raccomandazioni sui nodi necessari per configurare un ambiente di simulazione basato sullo scenario del
drop test. Il numero effettivo di nodi dipende dai requisiti complessivi del carico di lavoro.
Massime prestazioni:
Nodo di elaborazione Dell PowerEdge con processori Intel Xeon E5-2697 v2 (totale 24 core per nodo),
64 GB di memoria e scheda Mellanox ConnectIB
Configurazione minima: 2 nodi
Prestazioni di fascia alta, massima efficienza energetica:
Nodo di elaborazione Dell PowerEdge R720 con processori Intel Xeon E5-2697 v2 (totale 20 core per nodo),
64 GB di memoria e scheda Mellanox ConnectIB
Configurazione minima: 2 nodi
Sistema entry level:
Nodo di elaborazione Dell PowerEdge R620 con processori Intel Xeon E5-2667 v2 (totale 16 core per nodo),
32 GB di memoria e scheda Intel NetEffect X520 iWARP
Configurazione minima: 2 nodi
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Riepilogo dei risultati
In conclusione, i principali risultati ottenuti da questo studio sono:
Il cluster Dell-Intel ha offerto una velocità 6 volte superiore per la simulazione dei drop test RADIOSS rispetto al
caso di riferimento
o Il processore Intel Xeon E5-2697 v2 ha prodotto la velocità maggiore tra i tre processori testati:
o Tempo di completamento inferiore a 4 ore per 21 esecuzioni di simulazione
RADIOSS Advanced Mass Scaling (AMS) può offrire un ulteriore incremento di velocità di 1,7 volte
o Stima di 1,7 volte più veloce con AMS abilitato
o Tempo di completamento di meno di 2,5 ore (meno di 400 secondi per una singola esecuzione)
Intel Xeon E5-2680 v2 offre efficienza energetica ottimale
o Xeon E5-2680 v2 richiede consumo inferiore per l'esecuzione di 21 simulazioni in questo test
o Per un ambiente di produzione sempre attivo, 24 ore al giorno, 7 giorni alla settimana, il processore Xeon
E5-2680 v2 consuma il 21,3% di energia in meno rispetto al processore Xeon E5-2697 v2, ovvero una
percentuale maggiore rispetto alla differenza di TDP tra 115 W e 135 W (17%).
Utilizzando la soluzione drop test Altair con sistemi Dell/Intel, i tecnici possono ottimizzare le prestazioni dell'impatto
dei telefoni e assicurarsi di soddisfare i requisiti della garanzia e la soddisfazione dei clienti. Possono inoltre migliorare
la qualità della progettazione esplorando gli effetti delle modifiche e acquisendo informazioni importanti sul
comportamento dinamico dei drop test reali, con dati dettagliati sulle prestazioni dei componenti dei prodotti. Con
tempi e costi ridotti per lo sviluppo, i produttori avranno più tempo per concentrarsi sul miglioramento del design,
realizzando un prodotto finale migliore.
Oltre ai drop test, una gamma di applicazioni di computing tecnico nella suite di simulazione Altair HyperWorks trae
vantaggio dall'utilizzo di cluster Dell di fascia alta basati sui processori Intel di ultima generazione, in campi come lo
stampaggio, la simulazione di rumori, vibrazioni e sollecitazioni, la simulazione della fluidodinamica computazionale e
così via.
Per maggiori informazioni
Per saperne di più sul software Altair:
o Suite HyperWorks: www.altairhyperworks.com
o Suite PBS Works: www.pbsworks.com
Richiedete una demo: www.altair.com/dell-intel-drop-test
Per saperne di più su Dell: www.dell.com e www.dell.co.uk/hpc
Per saperne di più su Intel:
o newsroom.intel.com
o blogs.intel.com.
o www.intel.com/products/server/processor/xeonE5/index.htm
Contattateci:
o Altair: www.altair.com/PageAllLocations.aspx
o Dell: www.dell.com e www.dell.com/hpc
o Intel: www.intel.it
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